王文標(biāo) 張永強(qiáng) 蔡 麒 汪思源
(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連112026)
隨著供暖工藝水平的迅速發(fā)展,如果將傳統(tǒng)的控制技術(shù)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線融為一體,則將使供熱系統(tǒng)具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、運(yùn)行方便、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。其由于良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制性能,已經(jīng)在供熱生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前,基于總線的電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)又是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的自動(dòng)控制技術(shù),它可以確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、更智能地長(zhǎng)期運(yùn)行。所以,將變頻器與總線技術(shù)結(jié)合,進(jìn)而發(fā)揮變頻器的通訊能力,從而更高效地帶動(dòng)供熱生產(chǎn)過(guò)程,是值得研究的一項(xiàng)課題[2]。
本文針對(duì)某高校的鍋爐系統(tǒng),采用Profibus-DP總線對(duì)原變頻器控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,從而實(shí)現(xiàn)不同廠商變頻器優(yōu)化運(yùn)行的目的。
現(xiàn)場(chǎng)總線是以數(shù)字通信替代傳統(tǒng)4~20 m A模擬信號(hào)及普通開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸,實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同設(shè)備間的通信以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的信息傳遞。Profibus是西門(mén)子公司自主研發(fā)的,其已成為國(guó)際公認(rèn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)[3]。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為3種相互兼容的版本:Profibus-FMS、Profibus-PA和Profibus-DP。DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的廉價(jià)的通信標(biāo)準(zhǔn),波特率可達(dá)9.6 kb/s~12 Mb/s,適用于對(duì)時(shí)間有快速響應(yīng)要求的現(xiàn)場(chǎng),不同設(shè)備廠家的產(chǎn)品不需要調(diào)整其接口相互之間便可以通訊[4]。
變頻器通過(guò)將交流電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都可調(diào)節(jié)的交流電技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備,在供暖中占據(jù)著重要的角色。根據(jù)用戶需求,鍋爐要自動(dòng)調(diào)整供熱量。為了保證生產(chǎn)的可靠性,鍋爐輸出在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力時(shí)留有一定的富余量。電機(jī)輸出需要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力,多余的力矩便造成電能的浪費(fèi)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)腘1變到N2時(shí),其電機(jī)軸功率(P)的變化關(guān)系如下:P2/P1=(N2/N1)3,由此可見(jiàn),降低電機(jī)轉(zhuǎn)速理論可得到立方級(jí)的節(jié)能效果。變頻器不是能量發(fā)生器,只能通過(guò)改變輸出給電機(jī)的電流頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)電的功能。
在Profibus-DP總線上,使用STEP7組態(tài)時(shí)需要通訊卡出廠時(shí)配備的gsd文件。gsd文件是Profibus-DP產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)文件,是不同生產(chǎn)商之間為了互相集成使用所建立的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口,是該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上的唯一標(biāo)識(shí)名。Profibus組態(tài)工具可根據(jù)廠商提供的gsd文件將設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。使用基于gsd的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中,既簡(jiǎn)單,又對(duì)用戶友好。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的起端和終端需要設(shè)置終端電阻,防止信號(hào)在傳輸線中傳輸引起反射波,干擾正常信號(hào)。西門(mén)子PLC和富士變頻器自帶終端電阻,而施耐德變頻器的終端電阻需要在RS-485連接器上設(shè)置。對(duì)變頻器的反饋參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,可以讀取任意變頻器數(shù)據(jù)。
某高校新改造通訊總線的硬件構(gòu)成分3部分:主站、從站、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路。主站可以用總線發(fā)出和接收數(shù)據(jù),并訪問(wèn)總線;從站只能被動(dòng)接收總線上的命令,并在授權(quán)的情況下向總線發(fā)出數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路包括傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器,本項(xiàng)目使用有屏蔽雙絞電纜光纜,網(wǎng)絡(luò)連接器一般使用RS-485總線連接器,使用RS-485總線協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。考慮到現(xiàn)場(chǎng)傳輸線最長(zhǎng)不超過(guò)50 m,所以對(duì)數(shù)據(jù)傳輸波特率不會(huì)有限制。工控機(jī)與PLC建立MPI網(wǎng)絡(luò),這是一種比較簡(jiǎn)單的通訊方式。電腦端安裝有CP5611通訊卡,在西門(mén)子PLC的第一個(gè)通訊接口都集成了MPI通訊協(xié)議,不需要編寫(xiě)任何程序,在個(gè)人計(jì)算機(jī)上設(shè)置一下相關(guān)通訊參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)通訊功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
將富士變頻器的FCSOAOF.gsd文件和施耐德變頻器的TELE09CD.gsd文件加載到STEP7驅(qū)動(dòng)文件夾,進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài),波特率采用系統(tǒng)默認(rèn)的1.5 Mb/s,如圖2所示。按照變頻器硬件地址組態(tài)從站,選擇能夠滿足正常運(yùn)行需要的PPO類型,按照此PPO類型定義規(guī)則進(jìn)行程序編寫(xiě)。系統(tǒng)組態(tài)完成之后給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上電,變頻器通訊卡指示燈可以提示總線狀況,顯示從站在線狀態(tài)時(shí),可以將程序下載到PLC對(duì)從站進(jìn)行通訊。
圖2 系統(tǒng)組態(tài)圖
Profibus-DP通信協(xié)議的信息幀由協(xié)議頭、用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議尾3部分組成。用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被指定為參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象類型(PPO),有的用戶數(shù)據(jù)帶有參數(shù)區(qū)域和過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)域,而有的用戶數(shù)據(jù)僅僅由過(guò)程數(shù)據(jù)組成,該數(shù)據(jù)區(qū)域是經(jīng)常與Profibus-DP主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的區(qū)域。富士變頻器通訊卡定義了4種PPO類型,選擇運(yùn)行變頻器典型的類型PPO3。按照Profibus協(xié)議規(guī)定的電動(dòng)機(jī)控制用Profile的PROFIdrive V2流程編寫(xiě)程序。施耐德變頻器PPO類型只有一個(gè)選擇,按照本通訊卡支持的DriveCom流程編寫(xiě)程序。
供熱鍋爐系統(tǒng)通過(guò)采用Profibus-DP總線方式進(jìn)行通訊控制,增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性、操作簡(jiǎn)便性、后續(xù)維護(hù)性,具有更便捷的擴(kuò)展能力,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的分布式控制,提高了系統(tǒng)的即時(shí)反饋和控制精度,充分利用并發(fā)揮了變頻器的總線通訊能力。基于Profibus-DP總線通訊的變頻器通訊控制和故障即時(shí)反饋在供熱系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)滿足了熱源對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全需要,減少了供熱系統(tǒng)熱源側(cè)設(shè)計(jì)的成本,并極大地方便了系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護(hù),而且可實(shí)時(shí)查看故障狀況及原因,及時(shí)排除故障。
[1]許以軍.基于Profibus-DP總線的變頻器控制系統(tǒng)[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展,2004(3):66~68
[2]杜文軍.PLC對(duì)變頻器的控制設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古石油化工,2013(1):86~87
[3]趙英軍.變頻器在工業(yè)采暖鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009(19):88
[4]張道東.Profibus-DP在變頻器上的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代,2005(12):58~59